LoRa 模塊通信距離與丟包率：復(fù)雜地形測試數(shù)據(jù)與優(yōu)化方法

在物聯(lián)網(wǎng)無線通信項目中，模塊標(biāo)稱的通信距離通常是在空曠、無遮擋、天線條件較好的環(huán)境下測得。實際部署時，丘陵、森林、建筑物、設(shè)備安裝高度以及現(xiàn)場電磁干擾等因素，都會影響無線鏈路質(zhì)量。

LoRa（Long Range）是一種采用 Chirp Spread Spectrum，簡稱 CSS，調(diào)制方式的無線通信技術(shù)，具有接收靈敏度較高、可配置參數(shù)較多等特點，常用于低速率、低功耗和較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸場景。

需要說明的是，LoRa 主要指物理層調(diào)制技術(shù)，而 LoRaWAN 是基于 LoRa 調(diào)制構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本文討論的主要是 LoRa 無線模塊在點對點通信及自組網(wǎng)應(yīng)用中的鏈路表現(xiàn)。

本文結(jié)合 NiceRF Wireless Technology Co., Ltd.（思為無線）公開的產(chǎn)品參數(shù)及室外測試記錄，分析 LoRa 模塊在不同距離、速率和地形條件下的通信表現(xiàn)，并介紹降低丟包率的常見方法。

分析 LoRa 無線鏈路時，通常需要關(guān)注鏈路預(yù)算（Link Budget）。

鏈路預(yù)算由發(fā)射功率、接收靈敏度、天線增益、饋線損耗、路徑損耗及其他附加損耗共同決定。當(dāng)接收端信號強度接近或低于模塊的接收靈敏度門限時，數(shù)據(jù)包接收成功率會下降，嚴(yán)重時可能出現(xiàn)通信中斷。

1. 發(fā)射功率

在頻率、天線、速率和環(huán)境條件基本一致的情況下，提高發(fā)射功率可以增加鏈路余量，但并不意味著通信距離會按相同比例增加。

以 NiceRF LoRa6100II-2W 模塊為例，其最大發(fā)射功率為 +33 dBm，即約2 W。在官方給出的測試條件下，空曠環(huán)境通信距離約為10～12 km。實際距離還會受到天線增益、天線高度、地形遮擋、接收端條件及環(huán)境噪聲等因素影響。

LoRa6500Pro 系列可提供更高功率配置，適用于需要較大鏈路余量的應(yīng)用。但工程選型時，還需要考慮模塊功耗、供電能力、散熱設(shè)計以及當(dāng)?shù)責(zé)o線電頻率和發(fā)射功率規(guī)定。

圖1：LoRa 模塊在不同地形（空曠平原、丘陵、城市、森林、地下）下的信號傳播差異示意

2. 接收靈敏度

接收靈敏度表示接收機能夠正常解調(diào)的最低信號功率。其數(shù)值越低，例如從 -130 dBm 降至 -140 dBm，表示模塊識別弱信號的能力通常越強。

以基于 LR1121 芯片的 LoRa1121F33-1G9 模塊為例，在 Sub-GHz 頻段、帶寬為62.5 kHz、擴頻因子為 SF12 的配置下，公開參數(shù)中的接收靈敏度可達(dá)到 -142 dBm。

接收靈敏度由芯片性能、接收鏈路設(shè)計、帶寬、擴頻因子、編碼率及噪聲水平等因素共同決定。LNA，即低噪聲放大器，可以改善接收前端的噪聲性能，但不能單獨代表整機接收靈敏度。

3. 擴頻因子與帶寬

LoRa 的通信距離和數(shù)據(jù)速率與擴頻因子（Spreading Factor，SF）及帶寬（Bandwidth，BW）密切相關(guān)。

一般情況下：

• 提高擴頻因子，有助于改善弱信號條件下的解調(diào)能力，但會延長數(shù)據(jù)包的空中傳輸時間；
• 減小帶寬，通常有利于提高接收靈敏度，但數(shù)據(jù)傳輸速率會下降；
• 降低擴頻因子或增大帶寬，可以提高傳輸速率，但可用鏈路余量通常會減少。

因此，工程應(yīng)用中需要根據(jù)數(shù)據(jù)量、實時性、節(jié)點數(shù)量和目標(biāo)距離，在通信距離與傳輸速率之間進(jìn)行選擇。

圖2：不同擴頻因子（SF7、SF9、SF12）在速率、距離與靈敏度上的權(quán)衡

二、不同速率和距離下的測試表現(xiàn)

1. LoRa與FLRC模式測試數(shù)據(jù)

以下數(shù)據(jù)來自 LoRa2021 模塊的室外距離測試記錄。表中的“成功率”沿用原測試記錄的統(tǒng)計口徑，用于比較不同模式和速率下的數(shù)據(jù)包接收情況。

注：測試期間存在大風(fēng)等環(huán)境因素。測試結(jié)果僅反映當(dāng)時的設(shè)備、天線、安裝方式和現(xiàn)場條件，不宜直接作為所有應(yīng)用環(huán)境下的通信距離結(jié)論。

2. 測試數(shù)據(jù)說明

速率與距離之間存在明顯權(quán)衡

在 LoRa 模式下，SF9、帶寬125 kHz、速率1.7 Kbps的配置，在1.1 km測試點記錄到99%的通信成功率。相比之下，SF5高帶寬配置的數(shù)據(jù)速率更高，但在遠(yuǎn)距離下的鏈路余量相對較小。

該結(jié)果說明，在數(shù)據(jù)量不大、實時性要求不高的項目中，適當(dāng)降低空中速率，可以改善遠(yuǎn)距離或弱信號條件下的數(shù)據(jù)接收表現(xiàn)。

· 2.4 GHz測試結(jié)果存在一定波動

在2.4 GHz LoRa模式下，455 m測試點的成功率為72%，而943 m和1.1 km測試點分別為95%和93%。

這種“近距離成功率低于較遠(yuǎn)距離”的情況，可能與測試點附近的局部遮擋、天線方向、同頻干擾、多徑傳播或測試樣本數(shù)量有關(guān)。僅根據(jù)單組數(shù)據(jù)，難以判斷具體原因，建議結(jié)合 RSSI、SNR、重傳次數(shù)和頻譜監(jiān)測結(jié)果進(jìn)一步分析。

· FLRC模式對速率變化較為敏感

在 FLRC 模式下，降低速率后，遠(yuǎn)距離通信成功率有所改善。

當(dāng)配置速率為0.26 Mbps時，1.4 km測試點的成功率為83%；當(dāng)配置速率提高至2.6 Mbps時，1.4 km測試點未接收到有效數(shù)據(jù)。

這說明高速通信通常需要更高的信噪比和更好的鏈路條件。在距離較遠(yuǎn)或遮擋較多的環(huán)境中，需要根據(jù)實際吞吐量需求選擇合適的速率。

三、復(fù)雜地形下的丟包原因與優(yōu)化方法

1. 丘陵和山地環(huán)境

丘陵和山體容易阻擋發(fā)射端與接收端之間的視距傳播。無線信號需要通過繞射、反射或散射到達(dá)接收端，因此附加路徑損耗通常較大。

常見丟包原因包括：

• 山體或坡面遮擋第一菲涅爾區(qū)；
• 接收信號在靈敏度門限附近波動；
• 天線安裝位置較低；
• 山谷、坡面反射形成多徑衰落。

可采用以下優(yōu)化方法：

• 在法規(guī)允許并滿足項目條件的情況下，評估較低工作頻率；
• 提高天線安裝高度，改善視距和菲涅爾區(qū)條件；
• 將天線安裝在坡頂、塔桿或相對開闊的位置；
• 適當(dāng)降低空中速率或提高擴頻因子；
• 在關(guān)鍵遮擋位置增加中繼節(jié)點；
• 根據(jù)供電和散熱條件選擇合適的發(fā)射功率。

需要注意的是，高功率不能完全解決山體遮擋問題。當(dāng)鏈路被大型山體完全阻斷時，調(diào)整節(jié)點位置或增加中繼通常比單純提高功率更合適。

2. 城市建筑環(huán)境

在密集建筑區(qū)域，信號可能經(jīng)過墻體、玻璃、金屬結(jié)構(gòu)和地面多次反射，形成多徑傳播。同時，城市環(huán)境中無線設(shè)備較多，工作頻段的背景噪聲和同頻干擾也可能增加。

常見丟包原因包括：

• 建筑物遮擋造成穿透損耗；
• 多徑信號相位疊加產(chǎn)生深衰落；
• 同頻設(shè)備占用信道；
• 天線靠近金屬結(jié)構(gòu)或安裝在設(shè)備內(nèi)部；
• 電源、數(shù)字電路或電機產(chǎn)生射頻干擾。

可采用以下優(yōu)化方法：

• 調(diào)整天線位置，使其遠(yuǎn)離金屬外殼和強干擾源；
• 測試不同信道，避開干擾較強的頻點；
• 模塊支持時，可根據(jù)應(yīng)用需求使用 LBT等信道檢測機制；
• 適當(dāng)提高擴頻因子或降低帶寬；
• 在固定點對點鏈路中評估定向天線；
• 增加重傳、確認(rèn)應(yīng)答和超時機制。

定向天線雖然可以提高特定方向的鏈路增益，但不一定適合移動節(jié)點或多方向組網(wǎng)，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇。

3. 森林和果園環(huán)境

樹木、枝葉和含水量較高的植被會對無線信號產(chǎn)生吸收和散射。雨后、霧天或植被茂密季節(jié)，鏈路衰減可能進(jìn)一步增加。

在其他條件接近的情況下，較高頻率的信號通常更容易受到植被遮擋和散射影響，但實際效果還與天線尺寸、極化方式、安裝高度及傳播路徑有關(guān)。

可采用以下優(yōu)化方法：

• 對433 MHz、868 MHz或915 MHz等頻段進(jìn)行現(xiàn)場對比測試；
• 將天線安裝在樹冠層以上或相對開闊的位置；
• 避免將天線緊貼樹干、金屬支架或地面；
• 縮短單段通信距離；
• 在果園道路、制高點或無遮擋區(qū)域部署中繼；
• 根據(jù)季節(jié)和降雨條件預(yù)留鏈路余量。

頻段選擇還需要符合項目所在國家或地區(qū)的無線電管理要求，不能只根據(jù)傳播距離確定。

四、通過Mesh組網(wǎng)改善復(fù)雜區(qū)域覆蓋

當(dāng)單點通信鏈路受到大型建筑、山體、礦區(qū)巷道或密集植被阻擋時，僅依靠提高發(fā)射功率可能無法獲得穩(wěn)定連接。此時，可以考慮通過 Mesh 或中繼組網(wǎng)方式調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

NiceRF部分無線數(shù)傳模塊，如 LoRa6100Pro-mini、LoRa6100II-2W等，提供 Mesh 自組網(wǎng)或中繼相關(guān)功能。部署時，可將部分節(jié)點配置為路由節(jié)點或中繼節(jié)點，對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

Mesh組網(wǎng)的主要作用包括：

• 將一條較長的非視距鏈路拆分為多段較短鏈路；
• 通過中繼節(jié)點繞開山體、建筑物等遮擋區(qū)域；
• 擴展單個中心節(jié)點難以直接覆蓋的區(qū)域；
• 為部分通信盲區(qū)提供補充覆蓋。

不過，增加中繼節(jié)點也會帶來轉(zhuǎn)發(fā)延遲、網(wǎng)絡(luò)管理、路由維護、功耗增加和信道占用等問題。因此，組網(wǎng)前應(yīng)評估節(jié)點數(shù)量、數(shù)據(jù)周期、數(shù)據(jù)包長度和并發(fā)通信需求。

圖3：MESH 多跳中繼技術(shù)繞過地形障礙，降低端到端丟包率

五、降低丟包率的測試建議

在正式部署前，建議按照實際使用條件進(jìn)行現(xiàn)場測試，而不是只參考模塊手冊中的空曠通信距離。

測試時可重點記錄以下參數(shù)：

1. 發(fā)射功率、頻率、擴頻因子、帶寬和編碼率；
2. 天線型號、增益、極化方向和安裝高度；
3. 每個測試點的 RSSI和SNR；
4. 發(fā)送包數(shù)、接收包數(shù)、丟包率和連續(xù)丟包次數(shù)；
5. 不同時間段和不同信道下的測試結(jié)果；
6. 地形、建筑、植被和天氣情況；
7. 供電電壓及發(fā)射期間的電壓波動；
8. 是否啟用應(yīng)答、重傳、LBT或Mesh功能。

建議對每個測試點進(jìn)行多輪測試，并適當(dāng)增加數(shù)據(jù)包數(shù)量，以減少偶然干擾對結(jié)果的影響。

六、總結(jié)

從測試數(shù)據(jù)可以看出，降低空中速率、調(diào)整擴頻因子和帶寬，可以改善部分遠(yuǎn)距離鏈路的通信成功率；但在山體、建筑物或密集植被形成明顯遮擋時，還需要通過調(diào)整天線位置、增加中繼節(jié)點或采用 Mesh 組網(wǎng)等方式改善覆蓋。

對于電子工程師和系統(tǒng)集成商，建議根據(jù)項目的數(shù)據(jù)量、實時性、供電條件、法規(guī)要求和現(xiàn)場地形，綜合評估以下內(nèi)容：

• 模塊發(fā)射功率與接收靈敏度；
• 工作頻段與現(xiàn)場干擾情況；
• 天線類型、增益和安裝高度；
• 空中速率、擴頻因子和帶寬；
• 應(yīng)答、重傳和信道檢測機制；
• 是否需要中繼或Mesh組網(wǎng)。

最終通信效果應(yīng)以現(xiàn)場測試結(jié)果為依據(jù)，并為天氣變化、植被生長、設(shè)備安裝偏差及環(huán)境噪聲預(yù)留一定的鏈路余量。

參考資料

[1] NiceRF. “LoRa1121F33-1G9: High-Power Wireless Communication Module”.

[2] NiceRF. “LoRa6100II-2W: UART LoRa Module with Mesh Networking and ESD Protection”.

[3] NiceRF. “LoRa6100Pro: 1W Long Range LoRa Module with UART, AES Encryption, Mesh Network and ESD Protection”.